《擺的研究》實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新

張朋

摘要：實(shí)驗(yàn)“擺的研究”對于學(xué)生初步掌握鐘表的原理，有著重要的促進(jìn)作用。擺鐘的出現(xiàn)提高了人類對時(shí)間的準(zhǔn)確認(rèn)知，研究擺的快慢與什么因素有關(guān)，對理解擺鐘的原理和設(shè)計(jì)制作擺鐘有著重要的作用。根據(jù)實(shí)驗(yàn)操作時(shí)反映出的問題，對實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)器材進(jìn)行改進(jìn)與創(chuàng)新，從而達(dá)到高效精準(zhǔn)，體現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的科學(xué)與嚴(yán)謹(jǐn)。

關(guān)鍵詞：小學(xué)科學(xué)擺的研究改進(jìn)與創(chuàng)新

《擺的研究》涉及三個(gè)實(shí)驗(yàn)探究，如何引導(dǎo)學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，分小組獨(dú)立完成每個(gè)實(shí)驗(yàn)，顯得至關(guān)重要。為了實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)，更高效地完成實(shí)驗(yàn)，我對實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)器材進(jìn)行了改進(jìn)與創(chuàng)新，為學(xué)生呈現(xiàn)更為直觀清晰的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，從而增強(qiáng)學(xué)生對科學(xué)知識(shí)的感性認(rèn)知和探究性體驗(yàn)。

下面，我將該實(shí)驗(yàn)在教材中的地位與作用、實(shí)驗(yàn)原型存在的不足、個(gè)人對于該實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)與創(chuàng)新、改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)器材、改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)過程等，陳述如下：

一、實(shí)驗(yàn)在教材中的地位與作用

《擺的研究》選自教育科學(xué)出版社《小學(xué)科學(xué)》五年級下冊“時(shí)間的測量”單元，本課的重點(diǎn)在于研究“擺的快慢與什么因素有關(guān)”，起著承上啟下的作用。基于學(xué)生在前期的學(xué)習(xí)中對“擺”已經(jīng)有了一定的初步認(rèn)識(shí)，并積累了一定的生活經(jīng)驗(yàn)。因此本課旨在讓學(xué)生能夠使用 “控制變量”的方法搜集證據(jù)，體驗(yàn)精確測量對科學(xué)研究的重要性。

二、實(shí)驗(yàn)原型存在的不足

探究實(shí)驗(yàn)一：擺動(dòng)快慢與擺繩長度的關(guān)系。

原型不足：在變換擺繩長度時(shí)，需要多次系繩。不僅耽誤時(shí)間，而且不容易把握擺繩長度，進(jìn)而會(huì)誤導(dǎo)學(xué)生認(rèn)為不是同一個(gè)擺。

探究實(shí)驗(yàn)二：擺動(dòng)快慢與擺錘重量的關(guān)系。

原型不足：在更換擺錘重量使用鉤碼時(shí)，兩個(gè)以上鉤碼掛在一起，形成多次連接，容易晃動(dòng)，測量數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確;而使用鐵球時(shí)，不容易拴住，鐵球比較重，也不容易區(qū)分不同鐵球的重量。

探究實(shí)驗(yàn)三：擺的快慢與擺幅大小的關(guān)系。

原型不足：擺幅存在不定性，不容易控制擺幅大小，從而產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)誤差。

同時(shí)，在三個(gè)實(shí)驗(yàn)中，由于需要多次實(shí)驗(yàn)，人工計(jì)數(shù)不僅麻煩，而且還耗時(shí)，容易出錯(cuò)，形成誤差。

三、對實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)與創(chuàng)新

創(chuàng)新是實(shí)驗(yàn)教學(xué)永恒的主題，基于對學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的養(yǎng)成，本節(jié)課我以“實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)與創(chuàng)新”作為切入點(diǎn)，讓學(xué)生親身體驗(yàn)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的不足，興趣與思維碰撞，主動(dòng)思考，共同完成實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)與創(chuàng)新。

本節(jié)課實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)與創(chuàng)新，主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行。

1.體現(xiàn)重心穩(wěn)定性原則

之前我用鉤碼做擺錘，當(dāng)增加鉤碼時(shí)，造成重心下移，間接增加了擺繩長度，形成誤差。改進(jìn)后，我用大小一樣的小磁扣橫向相互吸附，以此充當(dāng)擺錘重量，不僅可以保持重心不變，提高實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確性，而且還能更容易增加擺錘重量（如圖1）。

2.體現(xiàn)廢舊物利用原則

之前在進(jìn)行擺繩長短對擺的快慢的影響時(shí)，一次次更換擺繩，特別不方便，不僅耗時(shí)，還不容易確定擺繩的長度。在擺的裝置上，加裝生活中廢舊物“輪軸”。通過轉(zhuǎn)動(dòng)“輪軸”，便可輕易做到變化擺繩的長度，達(dá)到一根擺繩多次使用的目的，無需多次系繩，大大縮短了因更換擺繩所耗費(fèi)的時(shí)間（如圖2）。

3.體現(xiàn)直觀測量擺繩原則

為了增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)的對比性，更直觀地觀察擺繩長短對擺的快慢之影響，我便對擺繩染色，每10 cm涂上一種顏色。通過輪軸可以輕易調(diào)整擺繩長度，進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)，從而驗(yàn)證不同擺繩長度對擺的快慢之影響（如圖3）。

4.體現(xiàn)變量充分性原則

教材中只安排了兩項(xiàng)活動(dòng)，探究擺繩和擺錘是哪個(gè)因素影響擺的快慢。而在實(shí)際教學(xué)中，學(xué)生還會(huì)提出擺幅大小會(huì)不會(huì)影響擺的快慢，因此我便增設(shè)擺幅探究活動(dòng)。由于擺幅大小不容易確定，所以需要特別制作擺專用量角器。我首先用白紙覆蓋量角器，然后在白紙上清晰標(biāo)注幾種具有代表性的度數(shù)，如此在指示擺角方向就更加明確，同時(shí)操作起來又特別方便（如圖4）。

5.讓創(chuàng)新助推科技發(fā)展

本節(jié)課的三個(gè)探究實(shí)驗(yàn)，都需要分工明確的小組合作共同完成，尤其在計(jì)時(shí)器開始時(shí)，更需要同步記錄擺的次數(shù)，否則容易出現(xiàn)錯(cuò)誤。為解決人工計(jì)數(shù)帶來的麻煩，讓學(xué)生體會(huì)科技帶來的便捷，我在擺的裝置中加裝傳感器，便可自動(dòng)計(jì)時(shí)。但是需要提醒學(xué)生了解擺動(dòng)一次，擺錘經(jīng)過傳感器的次數(shù)是兩次，所以傳感器記錄的數(shù)字應(yīng)除以二，才是擺的次數(shù)（如圖5）。

基于以上的改進(jìn)與創(chuàng)新，新的實(shí)驗(yàn)裝置（如圖6）不僅培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新能力和環(huán)保意識(shí)，而且更加激發(fā)了學(xué)生對科學(xué)探究的興趣。

四、改進(jìn)后實(shí)驗(yàn)所需準(zhǔn)備的器材

鐵架臺(tái)一個(gè)、細(xì)線90 cm（每10 cm涂上一種不同的顏色）、小磁扣若干個(gè)，覆蓋白紙的量角器一個(gè)，傳感器一個(gè)，輪軸一個(gè)。

五、實(shí)驗(yàn)過程及其相關(guān)說明

1.探究實(shí)驗(yàn)一：擺的擺動(dòng)快慢與擺繩長度的關(guān)系

這個(gè)探究實(shí)驗(yàn)中，在保持?jǐn)[錘輕重和擺幅大小不變的條件下，再通過轉(zhuǎn)動(dòng)輪軸調(diào)節(jié)染色的擺繩，使擺繩長度依次為20 cm、30 cm、40 cm，然后依次記錄15秒內(nèi)擺的次數(shù)，進(jìn)而進(jìn)行比較。

通過對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，我們可以得出這樣的結(jié)論，即“擺的擺動(dòng)快慢與擺繩長度成反比例關(guān)系。同一個(gè)擺，擺繩越長，擺動(dòng)越慢;擺繩越短，擺動(dòng)越快”。

2.實(shí)驗(yàn)二：擺的快慢與擺錘重量的關(guān)系

這個(gè)探究實(shí)驗(yàn)中，在保持?jǐn)[繩長短和擺幅大小不變的條件下，再通過改變小磁扣的數(shù)量，調(diào)整擺錘的重量。由于小磁扣的磁極異性相吸，兩個(gè)小磁扣可以很容易吸引在一起，因此，可以將擺錘重量設(shè)置為兩個(gè)小磁扣、四個(gè)小磁扣、六個(gè)小磁扣，然后依次記錄15秒內(nèi)擺的次數(shù)，進(jìn)而進(jìn)行比較。

通過對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，我們可以得出這樣的結(jié)論，即“擺的擺動(dòng)快慢與擺錘的重量無關(guān)”。

3.實(shí)驗(yàn)三：擺的快慢與擺幅大小的關(guān)系

這個(gè)探究實(shí)驗(yàn)中，在保持?jǐn)[繩長度和擺錘輕重不變的條件下，再通過改變擺幅大小，使擺幅大小依次為30°、60°、90°，然后依次記錄15秒內(nèi)擺的次數(shù)，進(jìn)而進(jìn)行比較。為了容易確定擺幅大小，在制作擺專用量角器時(shí)，在覆蓋量角器的白紙上，先按照30°進(jìn)行等分，然后標(biāo)注。

通過對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，我們可以得出這樣的結(jié)論，即“擺的擺動(dòng)快慢與擺幅的小大無關(guān)”。

六、實(shí)驗(yàn)結(jié)果的創(chuàng)新應(yīng)用

本節(jié)課完畢后，通過整體回顧，讓學(xué)生對知識(shí)再認(rèn)識(shí)、再升華，在頭腦中對所學(xué)知識(shí)形成體系，同時(shí)再讓學(xué)生聯(lián)系實(shí)際說一說擺的應(yīng)用。通過觀看蛇形擺的視頻，利用蛇形擺將擺的運(yùn)動(dòng)規(guī)律更加深刻地印記在學(xué)生的頭腦中，加之再教授學(xué)生如何制作蛇形擺，則會(huì)更加提升學(xué)生繼續(xù)去研究擺的熱情。

參考文獻(xiàn)：

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責(zé)任編輯：黃大燦